تتميّز سيراميك أكسيد الزركونيوم بخصائص فريدة تجعلها مناسبة للغاية لمجموعة واسعة من التطبيقات. ومع ذلك، يجب مراعاة أن مجالات الاستخدام المختلفة تتطلب تعديلات متنوعة على سيراميك أكسيد الزركونيوم، والتي سيتم توضيحها لاحقًا. فيما يلي أهم الخصائص العامة لسيراميك أكسيد الزركونيوم:

مقاومة عالية للكسر:

تُظهر سيراميك أكسيد الزركونيوم صلابة عالية ضد الكسر، مما يجعلها مقاومة لانتشار التشققات ومناسبة للتطبيقات الميكانيكية ذات الأحمال العالية.

صلابة عالية:

يتميز سيراميك الزركونيا بصلابة عالية، مما يساهم في مقاومته للتآكل، ويجعله مادة مثالية لأدوات القطع والمكونات المقاومة للتآكل.

الثبات الحراري:

يتحمل سيراميك الزركونيا درجات الحرارة العالية دون تدهور كبير، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات عالية الحرارة مثل طلاءات الحاجز الحراري والمواد المقاومة للحرارة.

التوصيل الأيوني:

بفضل موصليته الأيونية للأكسجين، يُعد أكسيد الزركونيوم مكونًا أساسيًا في خلايا الوقود، مما يُتيح توليد طاقة بكفاءة مع انبعاثات منخفضة.

موصلية حرارية منخفضة:

يتميز الزركونيا بموصلية حرارية منخفضة، مما يجعله مادة عازلة حرارية فعالة، تحمي الهياكل الأساسية من الحرارة الشديدة.

التوافق الحيوي:

الزركونيا متوافقة حيويًا، أي لا تُحدث أي استجابة مناعية لوجودها في الجسم. هذه الخاصية تجعلها الخيار الأمثل لزراعة الأسنان والعظام.

الخمول الكيميائي:

يُظهر الزركونيا مقاومة كيميائية ممتازة للعديد من المواد، مما يجعله مناسبًا للبيئات الكيميائية القاسية.

قوة تحمل عالية:

تتمتع سيراميك أكسيد الزركونيوم بقوة ميكانيكية عالية تضمن متانتها واعتماديتها في مجموعة متنوعة من التطبيقات.

الخصائص الجمالية:

يمكن تلميع الزركونيا للحصول على لمسة نهائية عالية الجودة، ومظهرها الشبيه بالأسنان يجعلها مثالية لترميم الأسنان.

هذه الخصائص تجعل سيراميك الزركونيا مادة متعددة الاستخدامات وقيّمة للعديد من الصناعات، بدءًا من الغرسات الطبية وصولًا إلى تطبيقات الأفران عالية الحرارة. ومن بين التطبيقات الشائعة لها حسب نوع التثبيت:

المكونات المقاومة للتآكل:

صلابة الزركونيا ومقاومتها العالية للتآكل تجعلها مثالية للمكونات المعرضة لظروف كاشطة، مثل أختام المضخات، ومقاعد الصمامات، والمحامل.

تطبيقات درجات الحرارة العالية:

مقاومة الزركونيا لدرجات الحرارة العالية تجعلها مناسبة للبطانات المقاومة للحرارة، والطلاءات العازلة للحرارة، ومواد العزل للأفران.

أدوات القطع:

إن الجمع بين الصلابة والمتانة في سيراميك الزركونيا يجعلها الأنسب لأدوات القطع، وخاصةً لتصنيع المواد الصلبة.

زراعة الأسنان والأطراف الاصطناعية:

يُستخدم الزركونيا على نطاق واسع في ترميمات الأسنان، بما في ذلك التيجان والجسور والغرسات، نظرًا لتوافقه الحيوي ومتانته ومظهره الجمالي.

غرسات العظام:

تُستخدم سيراميكات الزركونيا في غرسات العظام، مثل استبدال مفصل الورك والركبة، نظرًا لمقاومتها للتآكل وتوافقها الحيوي.

خلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFCs):

تُعدّ سيراميكات الزركونيا مكونات أساسية في خلايا وقود الأكسيد الصلب، مما يُتيح توليد طاقة بكفاءة وانبعاثات منخفضة.

مستشعرات الأكسجين:

تُستخدم الزركونيا في مستشعرات الأكسجين في تطبيقات السيارات والتطبيقات الصناعية نظرًا لموصليتها الأيونية العالية.

مكونات الساعات:

تجعل متانة الزركونيا وخصائصها الجمالية مناسبة لمكونات الساعات الفاخرة.

تثبيت سيراميك الزركونيا:

Y-TZP (زركونيا مُثبّتة بالإتريوم)
زركونيا مُثبّتة بالإتريوم (Y-TZP) هي سيراميك يتميز بدمج أكسيد الإيتريوم (Y2O3) كمُثبّت، عادةً بتركيزات تتراوح بين 2% و3% حسب الكسر الذري. يؤدي ارتفاع محتوى أكسيد الإيتريوم، أي 8%، إلى توصيل أيونات أكسجين عالي الجودة (تطبيقات مثل مستشعرات أكسجين لامدا، وخلايا وقود الأكسيد الصلب SOFCs). يتميز Y-TZP بدرجة حرارة تلبيد منخفضة نسبيًا، تتراوح عادةً بين 1400 و1550 درجة مئوية، مما يُسهّل معالجته. يتميز Y-TZP بخصائصه الميكانيكية المتميزة في درجة حرارة الغرفة، حيث تتجاوز قوة انحناءه 1000 ميجا باسكال وتصل إلى 1500 ميجا باسكال. تتراوح صلابة الكسر لـ Y-TZP عادةً بين 10 و15 ميجا باسكال. بالإضافة إلى ذلك، يُظهر Y-TZP مقاومة فائقة للتآكل والتآكل، وتوافقًا حيويًا، مما يجعله من أكثر المواد الخزفية المتقدمة الواعدة. يتحقق الأداء الميكانيكي الأمثل بتركيز تثبيت يبلغ حوالي 3.5% من (Y2O3).

ومع ذلك، فإن أحد القيود المهمة لمادة Y-TZP هو قابليتها للتحلل في درجات الحرارة المنخفضة، وخاصةً في نطاق 100 إلى 400 درجة مئوية. فالتعرض المطول لهذا النطاق من درجات الحرارة قد يُحدث انتقالًا طوريًا متساوي الحرارة من طور رباعي الزوايا (t) إلى طور أحادي الميل (m)، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في الخواص الميكانيكية – وهي ظاهرة تُعرف باسم الشيخوخة في درجات الحرارة المنخفضة. ويكون تأثير الشيخوخة هذا أكثر وضوحًا بين 200 و300 درجة مئوية، ويزداد تسارعًا في البيئات الرطبة أو المائية.

Mg-PSZ (زركونيا مغنيسيا مثبتة جزئيًا)
تتميز مادة زركونيا مغنيسيا مثبتة جزئيًا (Mg-PSZ) بمزايا كبيرة مقارنةً بـ Y-TZP، وخاصةً من حيث الخواص الميكانيكية ومقاومة الزحف في درجات الحرارة المرتفعة، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الإنشائية التي تقل عن 800 درجة مئوية. ومع ذلك، يواجه تطبيق Mg-PSZ تحديين أساسيين: تبلغ درجة حرارة المحلول الصلب لأكسيد المغنيسيوم (MgO) في شبكة أكسيد الزركونيوم ZrO2 حوالي 1700 درجة مئوية، مما يتطلب درجة حرارة تلبيد عالية تتراوح بين 1700 و1800 درجة مئوية. هذا يفرض صعوبات كبيرة في تحضير المواد وقابلية التوسع الصناعي. بالإضافة إلى ذلك، عند درجات حرارة أعلى من 1000 درجة مئوية، يميل Mg-PSZ إلى التحول الطوري إلى الطور الرباعي، مما يُضعف قوته الميكانيكية. ولهذا السبب، يُعد تطبيق Mg-PSZ محدودًا.
Ce-TZP (زركونيا مثبتة بالسيرا)
تستخدم زركونيا مثبتة بالسيرايوم (Ce-TZP) أكسيد السيريوم (CeO2) كمثبت، وتتميز بسلوك مميز يُشبه سلوك أكسيد اليورانيوم Y2O3. CeO2. يُمكن أن يُشكل أكسيد السيريوم (CeO2) محلولًا صلبًا مع الزركونيا في مجموعة واسعة من التركيبات. تجدر الإشارة إلى إمكانية خفض درجة حرارة انتقال الطور الأولية من رباعي الزوايا إلى أحادي الميل بشكل كبير؛ على سبيل المثال، تبلغ درجة حرارة انتقال الطور لـ 3.5Y-TZP حوالي 560 درجة مئوية، بينما يمكن لـ 20Ce-TZP خفض هذه الدرجة إلى أقل من 25 درجة مئوية. حجم الحبيبات الحرج اللازم لتحويل الطور في Ce-TZP أكبر منه في Y-TZP، مما يتيح إنتاج سيراميك زركونيا فائق الجودة دون الحاجة إلى مساحيق فائقة الدقة.

بالمقارنة مع Y-TZP، يُظهر Ce-TZP متانة أعلى للكسر ومقاومة مُحسّنة للشيخوخة الحرارية المائية في درجات الحرارة المنخفضة. ومع ذلك، يتميز بصلابة وقوة أقل. Ce-TZP حساس لظروف التلبيد، حيث يمكن أن تُسبب أجواء الاختزال خشونة الحبيبات، مما يؤثر سلبًا على خصائصه الميكانيكية. تشير الأبحاث إلى أن أقصى قوة انثناء لـ Ce-TZP حيث تصل إلى 800 ميجا باسكال عندما تتراوح النسبة الذرية لثاني أكسيد السيريوم بين 10% و20%. ترتبط الخصائص الميكانيكية لسيراميك Ce-TZP ارتباطًا وثيقًا بحجم الحبيبات، حيث تُعزز الحبيبات الأكبر حجمًا تحولًا طوريًا أفضل عند أطراف الشقوق، مما يُعزز المتانة. لذا، يعتمد التحضير الفعال لسيراميك Ce-TZP على التحكم الدقيق في نمو حبيبات البلورة لتحقيق الأداء الميكانيكي الأمثل.

تٌقدّم المواصفات الفنية للمادة عند الطلب، حيث يعتمد التحديد الدقيق على التطبيق المُحدّد ويتوافق مع متطلبات عملائنا.